余桂华课题组最新Angew封面：基于水凝胶三维连接纳米网络的新型固态电解质

锂离子电池的安全性一直备受关注，通常产生安全问题的主要原因是锂离子电池含有挥发性且易燃的有机电解液，当电池遇到短路、过热、穿刺等情况时就有可能发生燃烧甚至爆炸。因此，开发高安全性的固态电解质成为锂离子电池领域的重要研究课题。但是与电解液相比，固态电解质的离子传输能力较低，与电极的兼容性很差，制约了其实际应用。

近日美国德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）材料科学工程系的余桂华教授（点击查看介绍）课题组开发出了基于水凝胶三维纳米网络的锂离子输运网络的有机/无机复合固态电解质。他们以本身就具备三维微纳结构的水凝胶为前驱物，合成钛酸镧锂（LLTO）固态电解质；通过调控前驱物中各成分的比例，获得了一系列具有三维纳米结构的LLTO框架；再将聚环氧乙烷（PEO）填入到框架的空隙中，形成了室温锂离子电导率接近10^-4 S cm^-1的柔性复合电解质（图1）。相比于纯PEO聚合物电解质，该复合电解质的电导率、热稳定性以及电化学稳定性均明显提高。

图1.（a）复合电解质的合成示意图；（b）水凝胶、LLTO以及复合电解质照片。

提高PEO基聚合物电解质的离子导电率的通常手段是添加纳米级的颗粒，如SiO₂、Al₂O₃等，分散其中的纳米颗粒可以降低PEO的结晶度，从而为锂离子的传输提供更多的通道。但是这些纳米颗粒易于团聚，且本身并不具有传输锂离子的能力，因此室温电导率仍不理想。在余桂华教授课题组设计的复合固态电解质中，LLTO本身即具有很高的离子导电率，以LLTO纳米颗粒填充的PEO可以获得稍高于SiO₂纳米颗粒填充的PEO的离子电导率；此外，由3D水凝胶转变而来的的LLTO框架由于具有三维连续的网络结构，其填充的PEO复合电解质的离子电导率得到了大幅提升（图2）。

图2. （a）各种填料填充PEO电解质的离子电导率随温度变化曲线；（b）LLTO纳米颗粒和三维框架填充的PEO的离子电导率与其填料占比的关系；（c）和（d）分别是纳米颗粒和三维连续网络传输锂离子的机制示意图。

此工作近日已封面论文的形式发表在国际化学类顶级期刊Angewandte Chemie 上。^[1]

3D纳米结构功能化水凝胶是余桂华教授课题组开创的一类新型多功能材料，在国际上受到广泛关注（参考文献：Acc. Chem. Res., 2017；Nano Today, 2016；Chem. Soc. Rev., 2015）^[2-4]。一方面，3D纳米结构水凝胶易于功能化修饰，可调控其电子和离子传输性能，作为锂离子电池正负极导电粘结剂，显著提高了电池的能量密度、功率密度以及循环稳定性；另一方面，以水凝胶为前驱体可以构筑各种纳米材料，在电催化、传感、能源存储材料等方面具有潜在的应用。

导师介绍

余桂华

http://www.x-mol.com/university/faculty/37838

参考文献：

1. A 3D Nanostructured Hydrogel Framework-Derived High-Performance Composite Polymer Lithium-Ion Electrolyte, Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 2096–2100. (Featured Cover)

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201710841/abstract

2. Multifunctional Nanostructured Conductive Polymer Gels: Synthesis, Properties, and Applications, Acc. Chem. Res., 2017, 50, 1734–1743.

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.accounts.7b00191

3. Energy Gels: A Bio-Inspired Material Platform for Advanced Energy Applications, Nano Today, 2016, 11, 738–762.

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013216302390

4. Nanostructured Conductive Polymers for Advanced Energy Storage, Chem. Soc. Rev., 2015, 44, 6684–6696.

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/cs/c5cs00289c#!divAbstract

（本稿件来自UT Austin）